NO148341B - Endeelektrodemontasje og sentral elektrodemontasje for elektrolysecelle og monopolar membranelektrolysecelle omfattende disse - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår generelt konstruksjon av en monopolar membranelektrolysecelle for fremstilling av klor, alkalimetallhydroxyder og hydrogen, hvor hver elektrolysecelleenhet har minst én sentral elektrodemontasje med minst to endeelektrodemontasjer på hver side, slik at det dannes et lukket system for en effektiv utnyttelse av materialene for de sentrale elektrodemontasjer. Oppfinnelsen angår mer spesielt en forbedret elektrolysecelle med en sentral elektrodemontasje med en endeelektrodemontasje på hver side av den sentrale elektrodemontasje for dannelse av en lukket celle, slik at når flere av cellene er koblet i serie eller parallelt for dannelse av en elektrolysecellebenk, kan en hvilken som helst gitt celle fjernes fra denne uten å måtte avbryte produksjonen fra andre identiske celleenheter. Ved denne utførelsesform anvendes plane elektrodeelementer, slik at en plan membran kan være anordnet i avstand mellom elementene for å få en membranelektrolysecelle som er spesielt egnet for fremstilling av klor, kaustiske materialer (natriumhydroxyd) og hydrogen.

Klor og kaustiske materialer er vesentlige handelsvarer som markedsføres i store volum og er grunnleggende kjemikalier som er nødvendige i alle industrisamfunn. De fremstilles nesten utelukkende elektrolytisk fra vandige oppløsninger av alkalimetallklorider, og en hovedsakelig andel av denne produksjon utføres i elektrolyseceller av diafragmatypen. Ved fremgangsmåter hvor elektrolyseceller av diafragmatypen anvendes, tilføres en saltoppløsning (natriumkloridoppløsning) kontinuerlig til anodeavdelingen og strømmer gjennom et diafragma som vanligvis er laget av asbest og understøttet av en katode. For å gjøre en tilbakevandring av hydroxydionene så liten som mulig opprettholdes strømningshastig-heten alltid slik at den er høyere enn omvandlingshastigheten, hvorved den erholdte katolyttoppløsning vil inneholde uforbrukt alkali-metallklorid. Hydrogenioner utlades fra oppløsningen på katoden

i form av hydrogengass. Katolyttoppløsningen som inneholder kaustisk soda (natriumhydroxyd), uomsatt natriumklorid og andre forurensninger, må derefter konsentreres og renses for erholdelse av et salgbart natriumhydroxyd og natriumklorid som kan anvendes på ny i elektrolysecellen for dannelse av klor og kaustiske materialer, for ytterligere fremstilling av natriumhydroxyd.

Ved slike tekniske fremskritt som tilveiebringelsen av den dimensjonsstabile anode og forskjellige belegningsmidler for denne som gjør det mulig å anvende en stadig mindre avstand mellom elektrodene, er elektrolysecellen blitt mer effektiv ved at strøm-utbyttet forbedres sterkt ved anvendelse av disse elektroder. Den hydraulisk ugjennomtrengbare membran har også bidratt vesentlig til en effektiv utnyttelse av elektrolyseceller ved erholdelse av en selektiv migrering av forskjellige ioner gjennom membranen under utelukkelse av forurensninger fra det erholdte produkt, hvorved en del kostbare rense- og behandlingstrinn kan unngås.

Den dimensjonsstabile anode anvendes idag av en rekke pro-dusenter av klor og kaustiske materialer, men en mer utstrakt kommersiell anvendelse av hydraulisk ugjennomtrengbare membraner er ennu ikke blitt virkeliggjort. Dette skyldes i det minste del-vis den kjensgjerning at en god elektrolysecellekonstruksjon hvori den plane membran kan anvendes, i forhold til en anvendelse av det tredimensjonale diafragma, ennu ikke er blitt laget. Diafragma-elektrolysecellekonstruksjonens geometri gjør at det er uønsket å anbringe en plan membran mellom elektrodene, og en elektrolysecellekonstruksjon av filterpressetypen er derfor blitt foreslått som en alternativ elektrolysecellekonstruksjon for anvendelse av membraner ved fremstilling av klor, alkalimetallhydroxyder og hydrogen.

En bipolar elektrolysecelle av filterpressetypen er en celle som består av flere seriekoblede enheter, som i en filterpresse, hvor hver elektrode med unntagelse av de to endeelektroder, fungerer som anode på den ene side og som en katode på den annen side, idet rommet mellom disse bipolare elektroder er oppdelt i en anodeav-deling og en katodeavdeling ved hjelp av membranen. Ved en typisk prosess tilføres et alkalimetallhalogenid til anodeavdelingen hvori halogengass utvikles ved anoden. Alkalimetallioner transporteres selektivt gjennom membranen og inn i katodeavdelingen og forener seg med hydroxylioner ved katoden under dannelse av alkalimetallhydroxyder og frigjøring av hydrogen. I denne celletype er det erholdte alkalimetallhydroxyd betraktelig renere og mer konsentrert, hvorved nødvendigheten av et kostbart utvinningstrinn for saltet er blitt vesentlig mindre. Celler hvori de bipolare elektroder og diafragmaer eller membraner er anordnet flate mot flate som i en filterpresse, kan seriekobles elektrisk, idet anoden i en celle kobles til katoden i en nabocelle via en felles konstruksjonsdel av en eller annen type. Denne anordning er alminnelig kjent som en bipolar anordning.

Selv om en elektrolysecelle av filterpressetypen gir visse økonomiske prosessbesparelsér når den anvendes med en membran, foreligger fremdeles det problem at dersom en seksjon i cellen svikter, må hele cellekonstruksjonen demonteres for å fjerne feil-komponenten, og hele cellen er ute av produksjon under denne tid. Dessuten utgjør hydrogensprøhet et problem for materialene i bipolare elektrolyseceller. Det ville derfor ha vært sterkt for-delaktig dersom det hadde vært mulig å utvikle en membranelektrolysecelleenhet som kan fjernes fra en elektrolysecellebenk uten å måtte avbryte produksjonen i hele elektrolysecellebenken.

Det tas derfor ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en monopolar membranelektrolysecelle som er selvunderholdende slik at den kan fjernes fra en benk av elektrolyseceller uten å måtte avbryte produksjonen i hele benken av elektrolyseceller.

Det tas ved oppfinnelsen dessuten sikte på å tilveiebringe

en monopolar membranelektrolysecelle som når den fremstilles kan lukkes fullstendig, slik at transport og oppstarting av slike enheter kan utføres med mindre tilberedning på brukerstedet for cellene for fremstilling av en elektrolysecellebenk.

Det tas ved oppfinnelsen dessuten sikte på å tilveiebringe en monopolar membranelektrolysecelleenhet som kan fjernes fra en elektrolysecellebenk og sendes til et sentralt behandlingssted for vedlikehold og reparasjon av hver celle uten å måtte avbryte produksjonen i hele elektrolysecellebenken.

Det tas ved oppfinnelsen også sikte på å tilveiebringe en sentral elektrodemontasje som kan anordnes som en sandwich mellom to endeelektrodemontasjer i et hvilket som helst antall for å bygge opp elektrolyseceller med forskjellige størrelser.

Oppfinnelsen angår en endeelektrodemontasje for en elektrolysecelle, som er særpreget ved at den omfatter en panne med en sentral fordypning og en omkretsflens, et elektrodeelement som står i forbindelse med den sentrale fordypning i pannen, minst to strømfordelere for tilførsel av elektrisk energi til elektrodeelementet og som er elektrisk og mekanisk festet til elektrodeelementet og er ført til utenfor pannen, og minst én tilgangsåpning i pannen for tilsetning eller fjerning av materialer fra pannens indre.

Oppfinnelsen angår også en sentral elektrodemontasje for en elektrolysecelle, som er særpreget ved at den omfatter en ramme med omkretsflenser på hver side, et togrenet elektrodeelement som er festet til de innvendige avgrensninger av rammen og gir en i det vesentlige plan overflate på hver side av rammen og tilnærmet med det samme plan som omkretsflensene, minst to strømfordelere anordnet mellom overflatene av det togrenede elektrodeelement for tilførsel av elektrisk energi til det togrenede elektrodeelement

og som er elektrisk og mekanisk forbundet med det togrenede elektrodeelement og er ført til utenfor rammen, og minst én tilgangsåpning i rammen for tilførsel eller fjernelse av materialer fra rammens indre.

Oppfinnelsen angår dessuten en monopolar membranelektrolysecelle som omfatter endeelektrodemontasjen og den sentrale elektrodemontasje ifølge oppfinnelsen og som er særpreget ved at den omfatter to endeelektrodepanner med den samme form og med en omgivende om-kretsf lens, endeelektrodeelementer som står i forbindelse med en innvendig fordypning i hver av pannene, en sentral elektroderamme med omkretsflenser på hver side som passer til de tilsvarende flenser for endeelektrodepannene, et togrenet sentralt elektrodeelement med frontoverflater slik at hver overflate fremviser en i det vesentlige plan overflate overfor et tilsvarende endeelektrodeelement, en membran som skiller endeelektrodeelementene fra det sentrale elektrodeelement når cellen er montert, strømfordelere for tilførsel av elektrisk strøm med motsatt polaritet til det sentrale elektrodelement og til endeelektrodeelementene, og minst én tilgangsåpning i hver avdeling for tilførsel av materialer eller for å fjerne produkter.

De foretrukne utførelsesformer av den foreliggende elektrolysecelle er vist som et eksempel på tegningene, hvorav Fig. 1 er en perspektivskisse sett forfra av en benk av tre monopolare membranelektrolyseceller ifølge oppfinnelsen,

Fig. la er et delsnitt gjennom en celle,

Fig. 2 er et sideriss av endeelektrodemontasjen i det vesentlige langs linjen 2-2 på Fig. 1, Fig. 3 er et snitt gjennom endeelektrodemontasjen i det vesentlige langs linjen 3-3 på Fig. 2, Fig. 4 er et snitt gjennom endeelektrodemontasjen i det vesentlige langs linjen 4-4 på Fig. 2,

Fig. 5 er et sideriss av den sentrale elektrodemontasje i

det vesentlige langs linjen 5-5 på Fig. 1,

Fig. 6 er et snitt gjennom den sentrale elektrodemontasje

i det vesentlige langs linjen 6-6 på Fig. 5,

Fig. 7 er et snitt gjennom den sentrale elektrodemontasje

i det vesentlige langs linjen 7-7 på Fig. 5,

Fig. 8 er et delriss sett ovenfra av benken av elektrolyseceller og viser de elektriske strømskinnekoblinger mellom de forskjellige monopolare membranelektrolyseceller som er seriekoblet, Fig. 9 er et snitt gjennom elektrolysecellebenken og viser strømskinnekoblingene mellom de forskjellige monopolare membran-elektrolysecelleenheter tatt i det vesentlige langs linjen 9-9

på Fig. 8,

Fig. 10 er et snitt som viser en alternativ utførelsesform

av endeelektrodemontasjen med den ekspanderbare katode, og

Fig. 11 er et oppriss av en annen utførelsesform av en monopolar membranelektrolysecelle med flere enn én sentral elektrodemontas je anordnet som i en filterpresse.

På Fig. 1 betegner 12 en monopolar membranelektrolysecelle ifølge oppfinnelsen. På Fig. 1 er vist tre slike elektrolyseceller 12 av den type som vil være vanlig anvendt i en elektrolysecellebenk for fremstilling av klor og kaustiske materialer. Disse elektrolyseceller 12 som vist på Fig. 1 vil vanligvis ha en omgivende bærekonstruksjon eller et fundament for at hver elektrolysecelle 12 skal holdes korrekt på linje med hverandre for å danne en benk av elektrolyseceller for produksjonsformål. Detaljene angående denne omgivende konstruksjon er ikke blitt vist for å lette be-skrivelsen av de oppfinneriske trekk ved den foreliggende elektrolysecelle .

Det fremgår at delsnittet vist på Fig. la at hver elektrolysecelle 12 har to endeelektrodemontasjer 14 med minst én sentral elektrodemontasje 16 anordnet mellom disse og flate mot flate.

Når disse montasjer 14 og 16 kombineres og forsegles, gir de en lukket elektrolysecellekonstruksjon 12 som kan kombineres for dannelse av en benk av elektrolyseceller. I en cellebenk av denne type kan en hvilken som helst av de tre elektrolyseceller 12 som er vist på Fig. 1, fjernes under opprettholdelse av produksjonen fra de øvrige celler i elektrolysecellebenken. Dette byr på en vesentlig økonomisk fordel sammenlignet med celler hvor produksjonen av hele cellebenken må avbrytes for å fjerne en hvilken som helst utbrukt eller beskadiget seksjon som skal vedlikeholdes eller repareres. Det er også mulig å kombinere et hvilket som helst antall elektrolyseceller 12 i cellebenken for efter behov å til-fredsstille et gitt produksjonskrav. Det er også mulig å montere en monopolar elektrolysecelle 60 av filterpressetypen ved å anbringe sentrale elektrodemontas jer 16 med motsatt polaritet mellom endeelektrodemontasjer 14 og flate mot flate mot disse ved enhver ende av elektrolysecellekonstruksjonen, som best vist på

Fig. 11.

En mer detaljert fremstilling av endeelektrodemontasjen 14

er vist på Fig. 2 som er et oppriss av endeelektrodemontasjen 14 tatt i det vesentlige langs linjen 2-2 på Fig. 1. På Fig. 3 er vist et snitt gjennom den nedre del av endeelektrodemontasjen 14, og på Fig. 4 er vist et snitt sett forfra av endeelektrodemontasjen 14 som detaljert vist på Fig. 2. Det fremgår av Fig. 2, 3 og 4

at endeelektrodemontasjen 14 har en endeelektrodepanne 18 som enkelt kan fremstilles ved å stanses ut av en enkelt plate. Endeelektrodepannen 18 har også en omkretsfiens 20 som tjener til å feste endeelektrodemontasjen 14 i forseglet inngrep med en sentral elektrodemontasje 16. Omkretsflensen 20 må derfor være forholdsvis flat og glatt slik at den danner en effektiv forsegling sammen med pakningsmaterialet som er trukket over denne. Pakningsmaterialet

22 anbringes på toppen av omkretsflensen 20 før den kombineres med en sentral elektrodemontasje 16 for å forbindes med denne, som vist på Fig. 1. Vanligvis vil et stykke pakningsmateriale 22 anvendes på hver omkretsfiens, slik at to stykker vil anvendes for hver gitt skjøt mellom hvilke som helst av to montasjer 14 og 16. Endeelektrodepannene 18 har vanligvis en tykkelse av 0,794-9,525 mm. Dersom det er ønsket at endeelektrodepannene 18 skal ha en høyere stivhet, kan rygger stanses inn i den sentrale fordypning i hver panne 18 eller armeringsdeler kan festes til utsiden av det for-dypede område.

Som tydeligst vist på Fig. 2 er flere tilgangsåpninger 24

ført gjennom endeelektrodepannen 18 for å erholde en tilstrekkelig sirkulasjon inne i elektrolysecellens 12 endeelektrodemontasje 14. Disse tilgangsåpninger 24 anvendes foruten for å tilveiebringe sirkulasjon for tilførsel av råmaterialer også for fjernelse av produkter efter behov fra en gitt elektrolysecelle 12. I det for-dypede område av endeelektrodepannen 18 er endeelektrodeelementer 26 anordnet som vanligvis er perforerte, slik at en sirkulasjon kan opprettes gjennom og rundt disse. Materialet for det perforerte endeelektrodeelement 26 utgjøres vanligvis av en ekspandert metallduk med en flat kant på den ene side og en avrundet kant på den motstående side. Endeelektrodeelementet kan imidlertid like gjerne være laget av en vevet trådduk, stavduk eller perforerte plater for å erholde en perforert aktiv overflate.

Det fremgår av Fig. 3 og 4 at hvertendeelektrodeelements 26 omkretskant er bøyd nedad med en vinkel av ca. 90° for å sikre at de utstikkende kanter av endeelektrodene 2 6 ikke vil gjennomhulle et membranmateriale som vil ligge over disse. Den avrundede kantside anbringes mot membranen og den flate kantside av den ekspanderte metallduk mot endeelektrodepannens indre sammen med de nedadbøyde kanter på endeelektrodeelementet 26.

Endeelektrodeelementene 26 er koblet til endeelektrodepannen ved hjelp av strømfordelingsanordninger 28 og avstandsstenger 30, slik at endeelektrodeelementent 26 får en plan overflate som meget nær ligger i samme plan som overflaten av endeelektrodepannens 18 omkretsfiens 20. Det vil bemerkes at avstandsstengene 30 ikke strekker seg over hele lengden av endeelektrodeelementet 26, som best vist på Fig. 4. Avstandsstengene 30 er også intervallmessig forsynt med åpninger, som vist på Fig. 4, slik at en sirkulasjon av elektrolyttoppløsningen effektivt kan oppnås i endeelektrodemontas jen 14. Endeelektrodeelementet 26 kan være festet til avstandsstenger 30 på en hvilken som helst egnet måte, og sveising er den mest egnede måte. Strømfordelingsanordningene 28 under-støtter hver to avstandsstenger 30 på hver side og strekker seg til utenfor endeelektrodepannen 18, som vist på Fig. l,for elektrisk å kunne tilkoble cellen 12 til en elektrisk kraftkilde

(ikke vist).

Uaktet det antall endeelektrodeelementer 26 som anvendes innenfor de grenser som settes av endeelektrodepannen 18, vil hvert endeelektrodeelement fortrinnsvis være understøttet av to strømfordelingsanordninger 28 for endeelektrodene for å sikre en god strømfordeling og stabilitet mot rotasjonskrefter. Denne anordning letter også fremstillingsprosessen. Det vil vanligvis anvendes to endeelektrodeelementer 26, men dersom pannens størrelse øker, kan flere endeelektrodeelementer være ønskede.

De materialer som anvendes for fremstilling av endelektrode-elementet 26, avstandsstengene 30, strømfordelingsanordningene 28 og endeelektrodepannen 18 når disse skal anvendes for den katodiske side av elektrolysecellen 12, kan være et hvilket som helst vanlig elektrisk ledende materiale som er motstandsdyktig overfor kato-lytten, som jern, bløtt stål, rustfritt stål, nikkel, kobber belagt med rustfritt stål eller kobber belagt med nikkel. Det har vist seg av hvis f.eks. alle komponenter er laget av stål, vil montering og sluttanvendelse av cellen sterkt begunstiges av dette. Anvendelse av et enkelt materiale for alle disse komponenter letter vanlig sveising, hvorved de endelige omkostninger for monteringen av komponentdelene nedsettes. Bruk av claddingmaterialene, som rustfritt stål eller nikkel, over kobber for strømfordelings-anordningen28 vil gi en viss spenningsbesparelse på grunn av kobber-kjernens høye elektriske ledningsevne. Dessuten må de sveisinger som er nødvendige for å fremstille endeelektrodemontasjen 14 være lufttette slik at når endeelektrodemontasjen 14 anbringes i en celle 1, vil den danne et lukket system.

Fig. 5 er-et oppriss av den sentrale elektrodemontasje 16

tatt i det vesentlige langs linjen 5-5 på Fig. 1 og tilsvarer opprisset på Fig. 2 av endeelektrodemontasjen 14. Fig. 6 er et snitt gjennom den nedre del av den sentrale elektrodemontasje 16

og er tatt fra Fig. 5 og tilsvarer det på Fig. 3 viste snitt gjennom den nedre del av endeelektrodemontasjen 14. Fig. 7 er et snitt sett forfra gjennom den sentrale elektrodemontasje og er tatt fra Fig. 5 og tilsvarer det på Fig. 4 viste snitt gjennom endeelektrodemontasjen 14. Det fremgår av Fig. 5, 6 og 7 at for-skjellen mellom endeelektrodemontasjen 14 og den sentrale elektrodemontasje 16 er at den sentrale elektrodemontasje 16 har en ramme 32 slik at elektrodeoverflåtene kan frembys i to retninger for å gjøre det mulig å anbringe den sentrale elektrodemontasje 16 flate mot flate mellom andre tilsvarende montasjer med motsatt polaritet eller endeelektrodemontasjer 14. Derved fås en bedre utnyttelse av kostbare materialer, og vekten av en fremstilt elektrolysecelle 12 blir vesentlig lavere. Rammen 32 har på hver side omkretsflenser 34 slik at det dannes en kanallignende del. Disse omkretsflenser 34 på rammen 32 er identiske med omkretsflensene 20 på endeelektrodepannen 18, slik at det mellom disse kan fås et forseglende inngrep ved bruk av pakningsmaterialet 22. Rammen 3 2 har også tilgangsåpninger 3 6 slik at elektrolytt kan sirkuleres gjennom den sentrale elektrodemontasje 16, mer materiale kan tilsettes til den sentrale elektrodemontasje 16, og produkter kan fjernes fra den sentrale elektrodemontasje 16.

Et sentralt elektrodeelement 38 har en lignende mekanisk konstruksjon som endeelektrodeelementet 26 ved at det er generelt perforert og laget av en ekspandert metallduk med en nedadbøyd kant rundt det sentrale elektrodeelements 3 8 omkretskant. Det sentrale elektrodeelement 38 er todelt eller gaffeldelt slik at det frembyr en aktiv overflate på hver side av rammen 32. Todelt som anvendt heri er ment å betegne to plane elektrodeelementer anordnet parallelt på linje med og i avstand fra hverandre. På samme måte som for endeelektrodeelementet 26 inneholdes det sentrale elektrodeelement 38 i to seksjoner innen de grenser som utgjøres av rammen 32. Strømfordelingsanordninger 40 er ført gjennom den sentrale elektroderammes 32 sentrale del for å fordele elektrisk kraft til hele overflaten av det sentrale elektrodeelement 38, på samme måte som strømfordelingsanordningene 28 fordeler elektrisk energi til endeelektrodeelementet 26. Disse strømfordelings-anordninger 40 strekker seg gjennom rammen 32 for elektrisk tilkobling til en elektrisk kraftkilde (ikke vist) for å fullstendig-gjøre en elektrisk krets for tilførsel av elektrolysestrøm til den monopolare membranelektrolysecelle 12. Til disse strømfor-delingsanordninger 40 er avstandsstenger 42 festet ved hjelp av vanlige sveisemetoder og holder det sentrale elektrodeelement 38 i et tilnærmet samplanforhold til omkretsflensene 34. Disse avstandsstenger 4 2 strekker seg ikke, på samme måte som endeelektrodemontas j ens 14 avstandsstenger 30, over hele lengden av strømfordelingsanordningene 40, slik at sirkuleringen av elektrolyttoppløsningen i den sentrale elektrodemontasje 16 be-fordres. For ytterligere å befordre sirkuleringen av elektrolytt-oppløsningen i den sentrale elektrodemontasje 16 er avstandsstengene 42 forsynt med åpninger. Avstandsstengene 42 under-støtter på hver side på en todelt måte et sett med sentrale elektrodeelementer 38, slik at det fås sentrale elektrodeelementer 38 som er vendt mot hver av to endeelektrodemontasjer 14 eller andre sentrale elektrodemontasjer 16 med motsatt polaritet når de er montert slik at de danner en monopolar membranelektrolysecelle 60 av filterpressetypen.

De sentrale elektrodeelementer 3 8 som skal anvendes som anoder, kan være laget av et hvilket som helst elektrisk ledende, elektrokatalytisk aktivt materiale som er motstandsdyktig overfor anolytten, som ventilmetaller som titan, tantal eller leger-inger derav^cm<p>å overflaten har et edelmetall, et edelmetalloxyd (alene eller i kombinasjon med et ventilmetalloxyd) eller andre elektrokatalytisk aktive, korrosjonsmotstandsdyktige materialer. Anoder av denne type betegnes som dimensjonsstabile anoder og

er velkjente og utstrakt anvendt innen industrien, og det kan for en beskrivelse av slike dimensjonsstabile anoder vises til f.eks. US patentskrifter nr. 3117023, nr. 3632498, nr. 3840443 og

nr. 3846273. Et foretrukket ventilmetall fordi det for tiden er rimelig, lett tilgjengelig og har gode elektriske og kjemiske egenskaper, er titan. Dersom titan anvendes for anodeelementene, kan fremstillingen av den sentrale elektrodemontasje 16 lettes ved å anvende titanmaterialer for rammen 30 og avstandsstengene 42. For å nedsette bruken av titan og omkostningene ved en slik bruk kan strømfordelingsanordningene 40 være laget av kobber for erholdelse av en utmerket elektrisk ledningsevne og med et titan-belegg over kobberet. Derved kan den sentrale elektrodemontasje 16 fremstilles ved hjelp av vanlige sveisemetoder slik at det fås et lufttett system når den er montert i den monopolare membranelektrolysecelle 12.

Det er forutsatt at hver elektrodemontasje 14 eller 16 kan være skilt fra enhver annen elektrodemontasje 14 eller 16 med motsatt polaritet ved hjelp av en membran 44. Membranen 44 kan være en hvilken som helst i det vesentlige hydraulisk ugjennomtrengbar kationbyttemembran som er kjemisk motstandsdyktig overfor cellevæsken, har lav elektrisk motstandsevne, er istand til å motstå fremadrettet vandring av kloridioner og istand til å motstå tilbakevandring av hydroxylioner. Den materialtype som anvendes for membranen 44 må bare være gjennomtrengbar for små kationer,.slik at natrium- og kaliumioner vil vandre gjennom membranen, men slik at praktisk talt ingen av de større kationer, som metallforurensningene i cellevæsken, vil passerer gjennom membranen. Anvendelsen av disse materialer for membranen 44 vil føre til fremstilling av et alkalimetallhydroxyd med betydelig høyere renhet og i en betydelig høyere konsentrasjon.

En type av hydraulisk ugjennomtrengbar kationbyttemembran som kan anvendes i apparatet ifølge oppfinnelsen, er en tynn film av en fluorert kopolymer med utstikkende sulfonsyregrupper. Den fluorerte kopolymer er erholdt fra monomerer med formelen

hvori de utstikkende grupper - SC^F er omdannet til gruppene

-SO^H, og monomerer av formelen

hvori R betegner gruppen

hvori R"<*>" betegner et fluoratom eller en fluoralkylgruppe med 1-10 carbonatomer, Y betegner et fluoratom eller trifluormethylgruppen, m betegner 1, 2 eller 3, n betegner O eller 1, x betegner et fluoratom, et kloratom eller trifluormethylgruppen, og x betegner x eller CF3 -fCF^a O-,

hvori a betegner 0 eller et helt tall fra 1 til 5.

Dette fører til kopolymerer for anvendelse i membranen for cellen med de gjentatte strukturenheter:

I kopolymeren bør det forekomme et tilstrekkelig antall med gjentatte enheter ifølge den ovenstående formel (3) til at det fås en -S03H ekvivalentvekt av 800-1600, fortrinnsvis 1000-1400. Membraner med en vannabsorpsjon på ca. 25% eller derover er foretrukne da høyere cellepotensialer for en hvilken som helst gitt strømtetthet er nødvendige for membraner med en mindre vannabsorpsjon. På lignende måte krever membraner med en filmtykkelse (ulaminert) på ca. 0,2 mm eller, derover høyere cellepotensialer når den foreliggende elektrolysecelle anvendes for sitt beregnede formål, og gir således et lavere kraftutbytte.

På grunn av store overflatearealer for membranene i kommer-sielle celler vil membranfilmen som regel være laminert til og impregnert inn i en hydraulisk gjennomtrengbar, elektrisk ikke-ledende, inert, armerende del, som en vevet eller uvevet duk av fibre av asbest, glass, "Teflon" eller et lignende materiale. I komplekse membraner av film/duk foretrekkes det at lamineringen gir en ubrudt overflate av filmharpiksen på minst én side av duken, for å hindre lekkasje gjennom membranen.

De hydrauliske ugjennomtrengbare kationbyttemembraner av

den angjeldende type er nærmere beskrevet i US patentskrifter nr. 3041317, nr. 3282875 og nr. 3624053, i britisk patentskrift nr. 1184321 og i hollandsk tilgjengelige patentsøknad nr. 72/12249. Membraner som beskrevet ovenfor selges under varemerket "Nafion".

De ovenfor beskrevne membraner kan forandres ytterligere ved at de overflatebehandles for erholdelse av en forbedret membran. Disse behandlinger består vanligvis i å omsette de påhengte sul-fonylfluoridgrupper med materialer som vil gi en mindre polar binding og derved absorbere færre vannmolekyler ved hydrogen-binding. Dette er tilbøyelig til å innsnevre poreåpningene som kationene passerer gjennom, slik at mindre hydratiseringsvann vil overføres sammen med kationene gjennom membranen. Et eksempel på en slik behandlingsmetode er å omsette et ethylendiamin med de påhengte grupper for å binde to av de påhengte grupper sammen med to nitrogenatomer i ethylendiaminet. I en film med en tykkelse av ca. 0,18 mm vil overflatebehandlingen vanligvis ut-føres inntil en dybde av ca. 0,05 mm på den ene side av filmen ved hjelp av en tidsinnstilt omsetningsmetode. Dette vil føre til en membran med god elektrisk ledningsevne og kationgjennom-slippbarhet og med mindre tilbakevandring av hydroxylioner og tilknyttet vann.

Det antas at en fagmann vil være istand til å montere de beskrevne komponenter til den monopolare membranelektrolysecelle 12 ved å anvende forskjellige festeanordninger for å sikre kom-ponentene i forseglende inngrep rundtomkretsflensene 34 og 20.

Det vil imidlertid i hvert tilfelle være nødvendig å anvende en eller annen type av forseglingsmateriale, som pakningsmaterialer 22, på hver side av membranen 44 som er anbragt mellom o9 flate mot flate mot omkretsflensene 20 og 34. Pakningsmaterialet 22 tjener det dobbelte formål å bevirke et forseglende inngrep mellom elektrodemontasjene med en motsatt polaritet og dessuten som avstandsanordning for å tilveiebringe den avstand som er nød-vendig mellom elektrodelementene og membranen 44 og hverandre.

Et hvilket som helst pakningsmateriale må selvfølgelig være motstandsdyktig overfor den i cellen 12 anvendte elektrolytt, og polymermaterialer, som neopren, er derfor eksempler på egnede materialer. Erfaring har vist at avstanden mellom elektrodeelementene bør være 3,048 mm - 1,524 mm. Det antas at et effektivt forseglende inngrep mellom omkretsflensene 34 og 20 kan erholdes ved anvendelse av slike festeanordninger som bremsespindelnagler, flensklips eller flensklemmer under anvendelse av dreiehylsestoppe-skruer eller bolter gjennom flensene.

Det fremgår av Fig. 2 og 5 og spesielt av Fig. 4 og 7 at strømfordelerne 28 og 40 er ført gjennom hhv. endeelektrodepannen 18 og den sentrale elektroderamme 3 2 for å forbinde disse med en elektrisk kraftkilde. På Fig. 8 er vist et grunnriss av et system av strømskinner hvor flere elektrolyseceller 12 kan kobles i serie for å anvendes som en benk av elektrolyseceller 12. På Fig. 9 er vist et snitt tatt i det vesentlige langs linjen 9-9 på Fig. 8, av den elektriske tilkoblingsanordning for elektrolysecellene 12. Den elektriske tilkobling av cellene 12 i serie eller parallelt kan ut-føres ved anvendelse av en gjenget spole 46 som står i forbindelse med strømfordelerne 28 og 40 ved hjelp av en gjenget bolt som er ført gjennom spolen og festet mot strømfordelerne 28 og 40. De gjengede spoler 46 bør være laget av et sterkt elektrisk ledende materiale, som kobber. Først føres en låsemutter 50 nedad de gjengede spoler 4 6 slik at det fås en stoppanordning for strøm-skinnene 52 som plasseres over denne og er innbyrdes forbundet mellom de forskjellige elektrolyseceller 12, som vist på Fig. 8

og 9. Derefter skrus en annen låsemutter 50 ned slik at den kommer i tett inngrep med de elektriske strømskinner 52 for derved å erholde et positivt låseinngrep mellom strømskinnene 52 og de gjengede spoler 46. På denne måte fås elektrisk forbindelse mellom

hver sentral elektrodestrømfordeler 40 i en elektrolysecelle 12 og begge endeelektrodestrømfordelere 28 i den neste- celle 12 i serier som vist på Fig. 8 og 9. Elektrisk strøm kan efter ønske tilføres fra begge ender av serien av elektrolyseceller 12 eller bare fra den ene ende. De på Fig. 1 viste celler kan like enkelt kobles parallelt ved å anvende felles strømtilførselsskinner for å forbinde alle montasjer med en polaritet til den ene tilkoblingspol og alle montasjer med den motsatte polaritet til en annen tilkoblingspol for kraftkilden.

For å fjerne en hvilken som helst celle 12 fra en benk av celler fjernes de gjengede bolter 48 for alle elektrodemontasjer i denne celle 12, slik at cellen 12 lett kan fjernes fra benken. En brokabel eller strømskinne må først tilkobles over de positive og negative endepoler for cellen 12 som skal fjernes, for å opp-rettholde en fullstendig krets som anvendes for de gjenværende celler 12 når cellene 12 er seriekoblet som vist på Fig. 8 og 9. Dersom cellene 12 er parallellkoblet, vil brokabelen ikke være nød-vendig da hver celle 12 vil drives med sin egen elektriske krets.

På Fig. 10 er vist en annen utførelsesform av endeelektrodemontas jen 14 med en ekspanderbar elektrode 54, slik at når den gitte elektrolysecelle 12 monteres, vil membranen 44 bli holdt på plass mot det sentrale elektrodeelement 38. Hovedforskjellen ved den ekspanderbare elektrode 54 er bærestrukturen mellom strømfor-deleren 28 og elektrodeelementet 26. Istedenfor å anvende av-standsskinner 30 anvendes det for den ekspanderbare katode 54 en ekspansjonsanordning 56, som et enkelt stykke av en flat fjær som er festet til strømfordeleren 28 på et enkelt sted langs dens lengde og som strekker seg slik at den står i forbindelse med elektrodeelementet 26 på to steder i avstand fra hverandre nær den ytterste kant av elektrodeelementet 26. Ekspansjonsanordningen 56 er også forsynt med åpninger for å sikre en god sirkulasjon gjennom endeelektrodemontasjen 14. På den annen side av elektrodeelementene 26 og direkte motsatt i forhold til de steder hvor ekspansjonsanordningen 56 er koblet til elektrodeelementet 26, er avstandsstaver 58 anordnet som presser membranen 44 mot elektrodeelementet 38 når cellekomponenten er montert i elektrolysecellen 12. Disse avstandsstaver 58 bør vanligvis være laget av et elektrisk ikke-ledende materiale slik at de vil forårsake en meget lav innvirkning på den samlede jevnhet av avstanden mellom elektrodeelementene. Polyyinylfluorid er et eksempel på et egnet materiale. Det regnes med at den ekspanderbare elektrode 54 like gjerne vil kunne anvendes i den sentrale elekrodemontasje 16.

Det fremgår dessuten av Fig. 11 at en fagmann kan lage en monopolar membranelektrolysecelle 60 av filterpressetypen ved å innføre flere sentrale elektrodemontasjer 16 mellom de to endeelektrodemontas jer 14. Flere sentrale elektrodemontasjer 16 må lages av egnede materialer, som beskrevet ovenfor, for at de skal gi både anodiske og katodiske seksjoner for cellekonstruksjonen. Hver celle 60 vil anvendes med seksjonene koblet til hverandre

i en seriekrets. Flere celler 60 kan kobles i serie eller i parallell for å danne en cellebenk. Som vist på Fig. 11 kan om-kretsf lensene 34 for den sentrale elektrode være forlenget slik at de gir en støtteoverflate for en frittstående cellekonstruksjon.

Det er ønsket å anvende endeelektrodemontasjene 14 som katode-siden da de anvendte materialer vanligvis er mindre kostbare. En monopolar membranelektrolysecelle 12 vil ha en anodeseksjon 16 anordnet flate mot flate mellom to katodeseksjoner 14, og den monopolare elektrolysecelle 60 av filterpressetypen ifølge Fig. 11 har. seks sentrale elektrodemontasjer 16 som tjener som anoder, fem sentrale elektrodemontasjer 16 som tjener som katoder og to katode-og elektrodemontasjer 14. Cellen 60 vil være slik sammensatt at hver montasje 16 vil ha nabodeler med motsatt polaritet.

Det har vist seg at når pakningen 22 er anordnet mellom mon-tasjene 14 og 16, vil hydrogenskjørhet ikke forekomme. Denne cellekonstruksjon utgjør også en enhet med lav vekt som tillater en maksimal utnyttelse av det tilgjengelige rom for cellen.

Forsøk har vist at en minste avstand av. 57,15 mm mellom rommet for tråddukendeelektrodeelementet 24 og den innvendige vegg for endeelektrodepannen 16 er nødvendig for en optimal drift av elektrolysecellen 11 ved en strømtetthet av 310 mA/cm 2 når endeelektrodemontas jen 14 tjener som katoden. Dette plassbehov for den sentrale elektrodemontasje 16 ved en lignende drift vil være 38,8-101,6 mm når den sentrale elektrodemontasje 16 tjener som anode. Det antas at elektrolysecellene ifølge de heri beskrevne foretrukne utførelses-former vil kunne få en største strømstyrke på 465 mA/cm 2 nar de anvendes for en kommersiell prosess.

Ved en typisk anvendelse av en monopolar membranelektrolysecelle 12 ifølge oppfinnelsen for fremstilling av klor og kaustiske materialer ble en saltoppløsning med en natriumkloridkonsentrasjon av 100-310 g pr. liter innført i den sentrale elektrodemontasje 16 som ble anvendt som den anodiske side av elektrolysecellen 11, mens vann eller resirkulerende natriumhydroxydoppløsning med en konsentrasjon av 24-43% ble innført i endeelektrodemontasjen 14 som ble anvendt som den katodiske side av cellen 12. Efter hvert som elektrolyselikestrømmen ble tilført til cellen fra en egnet kraftkilde, ble klorgass utviklet ved anodeelementet 38. Det utviklede klor ble fullstendig holdt inne i anodeavdelingen 16 inntil det ble fjernet fra cellen sammen med saltoppløsningen via anodetil-gangsåpningene 36. Natriumioner som ble dannet i anodemontasjen 16, migrerte selektivt gjennom membranen 44 og inn i katodemontasjen 14 hvor de inngikk forbindelse med hydroxydioner. Natriumhydroxyd og hydrogengass som ble dannet på denne måte, ble fjernet via katode-tilgangsåpningene 24. Prosessvariable som ikke er av avgjørende betydning, omfatter: en arbeidstemperatur av 25-100°C, en pH for den tilførte saltoppløsning av 1-6 og^en strømtetthet gjennom elektrolysecellen 12 av 155-775 mA/cm av elektrodeplatens overflate-areal.

Claims (29)

1. Endeelektrodemontas je (14) for en elektrolysecelle, karakterisert ved at den omfatter en panne (18) med en sentral fordypning og en omkretsfiens (20), et elektrodeelement (2 6) som står i forbindelse med den sentrale fordypning i pannen, minst to strømfordelere (28) for til-førsel av elektrisk energi til elektrodeelementet (26) og som er elektrisk og mekanisk festet til elektrodeelementet og er ført til utenfor pannen, og minst én tilgangsåpning (24) i pannen for tilsetning eller fjerning av materialer fra pannens indre.

2. Endeelektrodemontasje ifølge krav 1, karakterisert ved at den dessuten omfatter avstandsstaver (30) som tangensialt er forbundet på hver side av strømfordelerne (28) og perpendikulært er forbundet med elektrodeelementet (26).

3. Endeelektrodemontasje ifølge krav 2, karakterisert ved at avstandsstavene (30) strekker seg over en avstand som er mindre enn den samlede lengde av elektrodeelementet (26).

4. Endeelektrodemontasje ifølge krav 2 eller 3, karakterisert ved at avstandsstavene (30) er forsynt med åpninger for å lette sirkulasjon av elektrolytt i endeelektrodemontasjen.

5. Sentral elektrodemontasje (16) for en elektrolysecelle, karakterisert ved at den omfatter en ramme (32) med omkretsflenser (34) på hver side, et togrenet elektrodeelement (38) som er festet til de innvendige avgrensninger av rammen (32) og gir en i det vesentlige plan overflate på hver side av rammen og tilnærmet med det samme plan som omkretsflensene (34), minst to strømfordelere (40) anordnet mellom overflatene av det togrenede elektrodeelement for tilførsel av elektrisk energi til det togrenede elektrodeelement (38) og som er elektrisk og mekanisk for bundet med det togrenede elektrodeelement og er ført til utenfor rammen (32), og minst én tilgangsåpning (36) i rammen for tilførsel eller fjernelse av materialer fra rammens indre.

6. Elektrodemontasje ifølge krav 5, karakterisert ved at den dessuten omfatter avstandsstaver (42) som tangensialt er forbundet med strøm-fordelerne (40) på hver side av disse og som perpendikulært er forbundet med hver overflate av det togrenede elektrodeelement (38) .

7. Elektrodemontasje ifølge krav 6, karakterisert ved at avstandsstavene (42) strekker seg over en avstand som er mindre enn den samlede lengde av det togrenede elektrodeelement (38).

8. Elektrodemontasje ifølge krav 6 eller 7, karakterisert ved at avstandsstavene (42) er forsynt med gjennomgående åpninger for å lette sirkulasjonen av elektrolytt i den sentrale elektrodemontasje (16).

9. Monopolar membranelektrolysecelle (12) som omfatter endeelektrodemontasjen og den sentrale elektrodemontasje ifølge krav 1-8, karakterisert ved at den omfatter to endeelektrodepanner (18) med den samme form og med en omgivende omkretsfiens (20), endeelektrodeelementer (26) som står i forbindelse med en innvendig fordypning i hver av pannene, en sentral elektroderamme (32) med omkretsflenser (34) på hver side som passer til de tilsvarende flenser (20) for ender elektrodepannene, et togrenet sentralt elektrodeelement (38) med frontoverflater slik at hver overflate fremviser en i det vesentlige plan overflate overfor et tilsvarende endeelektrodeelement (26), en membran (44) som skiller endeelektrodeelementene (26) fra det sentrale elektrodeelement (38) når cellen er montert, strømfordelere (28,40) for til-førsel av elektrisk strøm med motsatt polaritet til det sentrale elektrodeelement og til endeelektrodeelementene, og minst én tilgangsåpning (24,36) i hver avdeling for til-førsel av materialer eller for å fjerne produkter.

10. Elektrolysecelle ifølge krav 9, karakterisert ved at endeelektrodeelementene (26) og det togrenede sentrale elektrodeelement (38) er mekanisk og elektrisk forbundet med strømfordelerne (28,40) ved hjelp av avstandsstaver (30,42) som perpendikulært er forbundet med endeelektrodeelementene (26) og med det togrenede sentrale elektrodeelement (38) og tangensialt med strømfordelerne (28,40).

11. Elektrolysecelle ifølge krav 10, karakterisert ved at avstandsstavene (30,42) strekker seg bare over en del av strømfordelernes (28,40) innvendige lengde.

12. Elektrolysecelle ifølge krav 10 eller 11, karakterisert ved at avstandsstavene (30,42) er forsynt med gjennomgående åpninger for å befordre strømmen av elektrolyttoppløsning i elektrolysecellen (12).

13. Elektrolysecelle ifølge krav 9-12, karakterisert ved at endeelektrodeelementene (26) er anordnet i to seksjoner i hver av endeelektrodepannene (18) .

14. Elektrolysecelle ifølge krav 9-13, karakterisert ved at hver del av det togrenede sentrale elektrodeelement (38) er oppdelt i to seksjoner .

15. Elektrolysecelle ifølge krav 9-14, karakterisert ved at omkretsflensene (20,34) for endeelektrodepannene (18) og den sentrale elektroderamme (32) er montert med en membran (44) mellom seg og med en pakning (22) på hver side av membranen.

16. Elektrolysecelle ifølge krav 15, karakterisert ved at den omfatter dornagler, flensklyper, flensklemmer eller gjengede festeanordninger for forseglende å forbinde endeelektrodepannenes (18) omkretsflenser (20) med den sentrale elektroderamme (32).

17. Elektrolysecelle ifølge krav 9-16, karakterisert ved at strømfordelerne (28,40) er ført gjennom endeelektrodepannene (18) og den sentrale elektroderamme (32) og til et punkt utenfor elektrolysecellen (12).

18. Elektrolysecelle ifølge krav 17, karakterisert ved at gjengede spoler (46) er festet til hver av strømfordelerne (28,40) som er ført til utenfor elektrolysecellen (12).

19. Elektrolysecelle ifølge krav 18, karakterisert ved at de gjengede spoler (46) er festet til strømfordelerne (28,40) ved hjelp av gjengede bolter slik at når de gjengede bolter fjernes, kan elektrolysecellen (12) lett fjernes fra en cellebenk.

20. Elektrolysecelle ifølge krav 18 eller 19, karakterisert ved at en låsemutter (50) er skrudd ned på den gjengede spole (46) slik at den danner en stoppanordning.

21. Elektrolysecelle ifølge krav 20, karakterisert ved at strømskinner (52) er anordnet over hver av de gjengede bolter slik at begge endeelektrodepanner (18) for hver elektrolysecelle (12) er innbyrdes forbundet med de gjengede spoler (46) som rager ut fra den sentrale elektroderamme (32) for den nærmest på-følgende elektrolysecelle i en rekke av elektrolyseceller.

22. Elektrolysecelle ifølge krav 21, karakterisert ved at en annen låsemutter (50) er skrudd på slik at den kommer i tett inngrep med strømskmnene (52). /cox <14>8341

23. Elektrolysecelle ifølge krav 9-22, karakterisert ved at endeelektrodeelementene (26) er forbundet med strømfordelerne (28) ved hjelp av en ekspansjonsanordning (5 6) som tangensialt er festet til strømfordelerne og til endeelektrodeelementene.

24. Elektrolysecelle ifølge krav 23, karakterisert ved at endeelektrodeelementene (26) er forsynt med avstandsstaver (58) som er forbundet med den motstående flate til den som er forbundet med strøm-fordelerne (28) og som er laget av et elektrisk ikke-ledende materiale for å holde membranen (44) i konstant kontakt med elektrodeelementene for den tilstøtende elektrodemontasje.

25. Elektrolysecelle ifølge krav 9-24, karakterisert ved at de sentrale elektrodeelementer (38) er forbundet med strømfordelerne (40) ved hjelp av en ekspansjonsanordning (56) som tangensialt er festet til strømfordelerne og til det sentrale elektrodeelement .

26. Elektrolysecelle ifølge krav 25, karakterisert ved at de sentrale elektrodeelementer (38) er forsynt med avstandsstaver (42) som står i forbindelse med den motstående flate i forhold til den flate som er forbundet med strømfordelerne (40), og er laget av et elektrisk ikke-ledende materiale for å holde membranen (44) i konstant kontakt med elektrodeelementene for den tilstøtende elektrodemontasje.

27. Elektrolysecelle ifølge krav 9-26, karakterisert ved at membranen (44) er en hydraulisk ugjennomtrengbar kationbyttemembran som i det vesentlige består av en film av en kopolymer med de gjen-tatt forekommende strukturenheter med formelen: hvori R betegner gruppen hvori R^" betegner et fluoratom eller en perfluoralkylgruppe med 1-10 carbonatomer, Y betegner et fluoratom eller en tri-fluormethylgruppe, m betegner 1, 2 eller 3, n betegner O eller 1, x betegner et fluoratom, et kloratom eller en tri-f luormethylgruppe, x1 betegner x eller CF - -fCF„f O-, a betegner 0 eller et helt tall fra 1 til 5, og enhetene med formelen (1) er tilstede i en slik mengde at det fås en kopolymer med en ""SC^H ekvivalentvekt av 1000-1400.

28. Elektrolysecelle ifølge krav 27, karakterisert ved at membranen (44) er blitt kjemisk overflatebehandlet for å forbedre den selektive migrering av ioner gjennom membranen.

29 . Monopolar membranelektrolysecelle av f ilterpressetypen (60) , karakterisert ved at den omfatter to endeelektrodepanner (18) med den samme form og med en omgivende omkretsfiens (20) og en innvendig fordypning, endeelektrodeelementer (26) som står i forbindelse med den innvendige fordypning i hver av pannene (18), flere enn én sentral elektroderamme (32) med omkretsflenser (34) på hver side, et togrenet sentralt elektrodeelement (38) i hver av rammene (32) for å gi en aktiv overflate mot hver side av rammene, en membran (44) som skiller elektrodeelementene (26,38) fra hverandre, strømfordelere (28,40) for til-førsel av elektrisk strøm med motsatt polaritet til til-støtende elektrodeelementer (26,38), og minst én tilgangsåpning (24,36) i hver avdeling slik at når elektrolysecellen (12) er montert, vil hver og en av de sentrale elektrode-rammer (32) være sandwich-anordnet mellom elektroder (26,38) med motsatt polaritet.